极端宇宙探索：从粒子加速到天体爆发的最新发现
极端宇宙探索：从粒子加速到天体爆发的最新发现
极端宇宙领域是当前天文学和物理学研究的前沿热点之一。从极端粒子到极端恒星，再到极端爆炸事件，这一领域的研究不断挑战着人类对宇宙的认知极限。近期，国产期刊《科学通报》（Science Bulletin）刊载了一系列关于极端宇宙现象的重要论文，展示了中国在这一领域的最新研究成果。
极端粒子：LHAASO揭示宇宙线加速之谜
超新星遗迹（SNR）长期被视为银河系宇宙线的主要来源，但其加速能力的极限仍是未解之谜。LHAASO实验针对具有明确宇宙线-分子云相互作用证据的SNR W51C，进行了伽马射线观测，测量能量范围达到200 TeV，比此前实验精度提高一个量级，并首次观测到SNR的超高能伽马信号。结合低能实验数据，研究表明W51C的伽马能谱（跨越6个能量数量级）可通过强子相互作用模型统一解释。能谱在数十TeV处的弯曲可能标志着SNR加速宇宙线能力的上限，估计接近PeV，对现有模型构成挑战。此外，邻近恒星形成区的大质量星团可能对超高能伽马射线有贡献。
极端爆炸：快速射电暴的随机性与混沌性
快速射电暴（FRB）是宇宙中最明亮的射电波段爆发，其起源尚不明确。本文通过引入“Pincus指数”和“最大Lyapunov指数”，量化FRB事件的随机性和混沌性，并将其与脉冲星、地震和太阳耀斑等常见瞬变现象进行比较。结果显示，重复FRB的爆发行为在时间-能量相空间中表现出显著的随机性和较低的混沌性，明显区别于其他瞬变现象。此外，爆发等待时间与能量变化无关，表现出完全不可预测性，表明FRB可能由高熵单一源或多种机制/地点的组合产生。这一方法为分析不同物理现象间的差异和一致性提供了新的工具。
极端天体：天鹅座-X区域的超高能伽马射线气泡
LHAASO在天鹅座-X区域探测到一个尺度超过100秒差距的超高能伽马射线气泡结构，揭示了存在将宇宙线加速至超过拍电子伏特（PeV）的强大粒子加速器。气泡中包括与致密分子云相关的伽马射线“热斑”和明亮中心区域。在0.5度范围的中心区域内，检测到显著的超高能光子聚集（包含两个能量超过1 PeV的光子），该区域包含大质量星团Cygnus OB2、微类星体Cyg X-3及多个TeV伽马射线源。研究表明，强大的中心加速器注入甚高能和超高能宇宙线，与周围致密介质相互作用产生明亮伽马射线，为天鹅座-X区域提供了独特的物理图像。
II型超新星的爆发机制
II型超新星是宇宙中最常见的恒星爆炸，其富氢大质量前身星的晚期演化和星周环境差异，导致了超新星观测的多样性。为了揭示II型超新星与大质量恒星晚期演化的联系，需要捕捉超新星爆发的第一缕光。近邻星系M 101中SN 2023ixf的爆发提供了难得的研究机会。本文分析了其爆炸后1至5天内的闪亮光谱，发现前身星在爆炸前2~3年内飞快地失去它的物质。如果按照这个速率，我们的太阳将在不到2000年的时间里消耗殆尽。这些物质以20万公里的时速飞快地离开，然后在距离恒星数亿公里远的地方堆积着。超新星爆炸产生的冲击波以200倍的速度追上并照亮了这些物质，从而产生我们所看到的第一缕光。结合前身星20年前的图像和高质量损失率，SN 2023ixf可能由一颗刚从红超巨星演化而来的黄巨超巨星爆炸产生。
实验室模拟：核坍缩超新星中的辐射冲击波
辐射冲击波（RS）是天体爆发中的关键现象，其在核坍缩超新星（CCSNe）中的驱动机制仍不明确，直接观测也因辐射自吸收受限。研究团队在SGIII原型激光装置上，通过1600 J至2800 J激光在不同压力的氙气中成功驱动RS，测得平均速度并首次获取波后压缩密度。实验结果与二维辐射流体模拟的速度和密度一致。并结合模拟温度依据缩比定标率与CCSNe模拟中的RS状态对比，结果完全吻合。这项研究首次定量验证了实验室模拟CCSNe中RS传播的可行性，为分析爆发时间序列、量化RS能量耗散机制及验证CCSNe爆发模型提供了重要依据。
磁陀星与快速射电暴
近期，来自于SGR 1935+2154的FRB200428和非热X射线爆发的成协的天文探测，证实了FRB可能起源于磁坨星。然而，FRB及相关X射线的物理机制仍未明确，主要受限于磁陀星磁层强磁场下量子电动力学（QED）效应的主导作用，使相对论等离子体过程极为复杂。本文提出了一种针对磁陀星附近非热X射线产生机制的理论模型，将小尺度的QED磁重联加速与大尺度的光子辐射和多次康普顿散射相结合，开展跨尺度数值模拟。模拟结果与慧眼卫星Insight-HXMT的时间及光谱观测特征高度一致，表明与FRB相关的X射线爆发可能源于磁陀星磁层内的QED重联过程。该模拟方法可推广至更复杂的跨尺度天体物理现象研究。